Zespół TerraSat – uczestnik konkursu CanSat2024-11-27. Redakcja
Artykuł o zespole TerraSat, uczestniku konkursu CanSat.
Redakcja serwisu Kosmonauta.net serdecznie dziękuje Panu Piotrowi Sujeckiemu za przesłany tekst.
Kim Jesteśmy?
W maju wraz z innymi uczniami szkół średnich zdecydowaliśmy się stworzyć drużynę liczącą sześciorgu uczniów, która wystartuje w tegorocznej edycji konkursu CanSat zorganizowanego przez Centrum Nauki Kopernik oraz Esero Polska. Nasz zespół nazywa się TerraSat.
Czym jest CanSat?
Otóż każda drużyna uczestnicząca w konkursie musi zaprojektować sondę, która następnie zostaje wyniesiona na wysokość 3000 metrów. Projekt opiera się na dwóch misjach: podstawowej i dodatkowej. Misja podstawowa polega na pomiarze temperatury i ciśnienia podczas całego lotu.
Dodatkowa misja naszego projektu została zaprojektowana w celu stworzenia trójwymiarowego modelu terenu, nad którym przelatuje sonda. Głównym celem jest wykorzystanie dalmierza laserowego, który zostanie umieszczony na spodzie sondy. To konkretne umiejscowienie lasera pozwoli nam emitować wiązki laserowe z sondy na powierzchnię Ziemi, które następnie zostaną odbite.
Te wiązki laserowe powrócą do sondy, co pozwoli nam uzyskać dane o odległości między sondą a powierzchnią Ziemi poniżej. Ponieważ dalmierz laserowy emituje setki wiązek na sekundę, będziemy w stanie mapować wiele punktów na obszarze, nad którym aktualnie przelatuje sonda, a następnie stworzyć dokładną mapę topograficzną Ziemi zeskanowaną przez laser umieszczony w sondzie.
Jak zamierzamy zrealizować każdą z misji?
Aby zrealizować misję podstawową, zgodnie z regulaminem użyjemy czujnika temperatury (LM35) oraz czujnika ciśnienia (BMP280) do pomiaru obu parametrów na zewnątrz sondy. Dane rejestrowane przez czujniki będą przesyłane do stacji naziemnej co najmniej raz na sekundę za pomocą modułów radiowych LORA SX1278.
Misja dodatkowa to część konkursu, w której pojawia się kreatywność Pomysł na naszą misję dodatkową narodził się, po przeczytaniu “Voyage 2050” nasz zespół skupił się na eksploracji księżyców dalszych planet w układzie słonecznym. Wtedy właśnie wpadliśmy na pomysł stworzenia sondy, która pozwoli tworzyć dokładne mapy terenu poszczególnych księżyców.
Kluczowymi elementami naszej misji dodatkowej są laser, gimbal oraz GPS. Po pierwsze gimbal, jest to część naszej sondy, którą musieliśmy skonstruować od podstaw, ponieważ wewnątrz sondy nie ma dużo miejsca, dlatego właśnie musieliśmy zaprojektować własnego gimbala. Po drugie, znaleźliśmy sposób na mapowanie terenu przy użyciu takich informacji jak pozycja sondy, którą zapewni GPS. Kolejną niezbędną informacją jest kierunek, w którym zostanie wystrzelony laser. Wiele osób może obecnie zadawać sobie pytanie w jaki sposób jesteśmy pewni, że laser powróci do sondy i w jaki sposób jesteśmy pewni, że zebrane punkty będą dokładne. A więc nasz zespół wykonał obliczenia.
Nasze obliczenia teoretyczne
Czy wiązka lasera będzie przesyłana przez sondę poruszającą się z dużą prędkością?
Aby zredukować ten czynnik, postanowiliśmy kierować laser maksymalnie 25 stopni na boki od kierunku pionowego w dół. Dlatego oszacowaliśmy, że maksymalna odległość, jaką pokona laser, wynosi około 7 km (dokładniej 2/cos(25)*3 km), zakładając, że maksymalna wysokość, na jaką wzniosła się sonda, wynosi 3 km.
Następnie obliczyliśmy czas potrzebny na pokonanie tej odległości przez laser: 7/300 000 s, co wynosi mniej niż 0,000025 s. Sprawdziliśmy, jak daleko sonda CanSat mogłaby się w tym czasie przesunąć. Z informacji od zespołów, które wcześniej wysyłały swoje CanSaty w powietrze, wiemy, że maksymalna prędkość swobodnego opadania wynosi około 70 m/s. W najgorszym scenariuszu oznacza to, że laser przesunie się o 0,00175 m (70 m/s * 0,000025 s), co jest równoważne 1,75 mm. W porównaniu z naszą stosunkowo dużą sondą o średnicy 2 cm jest to bardzo mała wartość.
Co więcej, uznajemy, że ta różnica mogłaby być wystarczająco duża, by wiązka lasera wróciła. Jednak po otwarciu spadochronu CanSat porusza się około 7 razy wolniej, a maksymalna odległość pokonana przez laser jest co najmniej 3 razy mniejsza. W takim przypadku przesunięcie wyniesie 0,0875 mm, co jest wystarczająco małą wartością, aby laser odbierał wiązkę.
Sprawdzanie teoretycznych możliwości systemu mapowania terenu w 3D
Ważniejsze jest sprawdzenie, czy nasz pomysł umożliwi mapowanie terenu. Obliczyliśmy średnią liczbę punktów, które moglibyśmy otrzymać na 1 m² terenu. Teoretycznie CanSat będzie opadał przez co najmniej 500 sekund. Oznacza to, że możemy wykonać co najmniej 40 milionów pomiarów, choć uwzględniając niedokładności, uznajemy za realistyczne uzyskanie informacji o 10 milionach punktów. Po otwarciu spadochronu na wysokości 1 km nasz laser będzie mógł mapować obszar 0,66 km² w ciągu około 100 s, co pozwoli na stworzenie około 8 milionów punktów.
Średnio daje to 12 punktów na m², co wystarcza do stworzenia dokładnej mapy 3D. Na wysokości 500 m liczba punktów wzrośnie do 24 na m², co pozwoli na szczegółowe mapowanie terenu.
Obliczanie współrzędnych punktów w 3D
Aby określić kierunek strzału lasera, potrzebujemy współrzędnych końca wiązki, które zapewni wewnętrzny GPS. Kierunek wiązki reprezentujemy jako wektor. Ponieważ dno sondy nie zawsze będzie skierowane prostopadle do ziemi, użyjemy żyroskopu, który dostarczy informacji o orientacji sondy względem ziemi. Wektory zostaną zsumowane, a współrzędne obliczone zgodnie z równaniem:(x + ak, y + bk, z + ck), gdzie k to współczynnik odległości. Wszystkie dane zostaną zapisane i przesłane do stacji naziemnej.
Aby dowiedzieć się więcej o naszym projekcie zapraszamy na nasza stronę internetową
http://terrasat.pl/oraz na naszego instagrama @terrasat.cansat.
Współpraca i Partnerzy
Obecnie nasz zespół posiada dwóch partnerów Creotech Instruments oraz Akademia High School. Partnerstwo z naszym zespołem nie musi wiązać się ze pomocą pieniężną, jest ona jednak mile widziana, ponieważ pozwoli nam to na zebranie funduszy na skonstruowanie sondy. Jeśli są Państwo zainteresowani nawiązaniem współpracy z naszym zespołem prosimy o kontakt na adres email
terrasat.cansat2025@gmail.com(Terrasat)
Projekt TerraSat / Credits – TerraSat
https://kosmonauta.net/2024/11/zespol-t ... su-cansat/